Комплексный подход к изучению облаков верхнего яруса: поляризационный лидар, метеорологическая информация, спутниковый спектрорадиометр и машинное обучение

Облачность оказывает важнейшее влияние на радиационный баланс Земли, регулируя поступление солнечной энергии на её поверхность. Облака верхнего яруса (ОВЯ) покрывают до 50% земной поверхности [1] и участвуют в формировании погоды и климата [2]. Они отражают солнечное излучение, охлаждая атмосферу, и усиливают парниковый эффект, задерживая инфракрасное излучение [3]. Численные модели не учитывают микроструктуру ОВЯ, снижая точность прогнозов погоды и климата. Такие облака состоят преимущественно из кристаллов льда, чьи размеры, форма и ориентация зависят от метеоусловий. Нередко частицы в ОВЯ ориентируются горизонтально. Их плоские грани зеркально отражают видимое излучение, поскольку размеры кристаллов превышают длину волны. Это вызывает аномальное рассеяние, включая обратное.

Изучение микроструктуры ОВЯ затруднено: контактные приборы нарушают ориентацию частиц, а спутниковые наблюдения не всегда фиксируют малые и динамичные структуры. Поляризационное лазерное зондирование (ПЛЗ) – эффективный дистанционный метод, позволяющий определять размеры, форму и ориентацию частиц ОВЯ. Он основан на анализе матрицы обратного рассеяния света, содержащей информацию о микроструктуре облаков [5], и реализован в высотном матричном поляризационном лидаре (ВМПЛ) [6] Томского государственного университета. В 2009–2024 гг. в 22% сеансов измерений на ВМПЛ зарегистрированные ОВЯ были зеркальными. Чаще они наблюдались с мая по сентябрь на высотах 5–11 км.

Интерпретация данных ПЛЗ требует информации о состоянии атмосферы: температура, влажность и характеристики ветра. Данные аэрологических станций России ограничены: радиозонды запускаются дважды в сутки, а расстояния между станциями нередко превышают 100 км. Дополнительные данные предоставляют атмосферные реанализы. ERA5 (ECWMF) содержит вертикальные профили метеопараметров с 1940 г. с разрешением 1 час и 0,25×0,25° [6]. Реанализ MERRA-2 (NASA) охватывает период с 1980 г. и включает дополнительные параметры, например, массовую долю облачного льда и балл облачности, с шагом 1–3 ч и разрешением 0,5×0,625° [7]. Важным источником информации об ОВЯ является спутниковый спектрорадиометр MODIS, обеспечивающий глобальный мониторинг облаков, охватывая всю поверхность Земли за 1–2 дня.

Анализ данных по параметрам ОВЯ выполнен для подготовки к созданию программного продукта на основе методов машинного обучения. Входными данными будут метеорологические параметры атмосферы, на основе которых предполагается прогнозировать геометрические и оптические характеристики ОВЯ, а также оценивать их динамику и вероятность появления. Учёт пространственной неоднородности ОВЯ, включая ориентацию частиц льда, в моделях атмосферы улучшит описание радиационных процессов и повысит точность прогнозирования погоды и климата.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда, Грант № 24-72-10127.

1. Ali S., et al. // Atmos. Chem. Phys. 2022. V. 22, № 12. P. 8321–8342.

2. Heymsfield A.J. // Meteor. Monogr. 2017. V. 58. P. 2.1–2.26.

3. Тарасова Т.А. // Радиационные свойства перистых облаков. М.: Наука, 1989. C. 169–176.

4. Кауль Б.В. Оптико-локационный метод поляризационных исследований анизотропных аэрозольных сред: дис. докт. физ.-мат. наук. Томск, 2004. 219 с.

5. Брюханов И.Д. и др. // Опт. атм. океана. 2024. Т. 37, № 2. С. 105–113.

6. Copernicus Climate Data Store. URL: https://cds.climate.copernicus.eu.

7. Tao J., et al. // The Cryosphere Discuss. 2019. V. 13. № 8. P. 2087–2110.